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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Ein 3D-sensitiver Messkopf für die Rasterkraftmikroskopie

03.11.2021

Anforderungen an Messmittel im Bereich der dimensionellen Nanometrologie zur Bestimmung der Oberflächengeometrie werden zunehmend dreidimensional (3D) und komplexer. Bisherige critical dimension Rasterkraftmikroskope (CD/3D-AFM) spielten bei diesen Messungen eine tragende Rolle. Diese speziell für CD-Messungen entwickelten AFM sind jedoch nur bedingt für 3D Messungen geeignet, da der Sensor lediglich in 2D detektieren kann. Der hardware-basierte Grund dafür liegt in den mechanischen Eigenschaften der Sonde, dem CD-Cantilever mit einer zylinderförmigen am Ende verbreiteten CD-Spitze. Dieser zeigt ein mechanisches Übersprechen für Verschiebungen der CD-Spitze in horizontaler y- und vertikaler z-Richtung, welches zu Abweichungen der gemessenen Oberfläche von der realen Oberfläche führt. Darüber hinaus zeigt der steife CD-Cantilever in Kombination mit der biegeweichen CD-Spitze geringe detektierbare Verschiebungen oder Winkeländerungen, somit eine geringe Sensitivität. Üblicherweise werden die Bewegungen eines Cantilevers mit einem optischen Lichtzeiger detektiert und es wird ein proportionaler Zusammenhang von Biegewinkel des CD-Cantilevers zur Verschiebung der CD-Spitze angenommen. Jedoch zeigt diese Detektionsmethode ebenfalls ein Übersprechen in y-, z-Richtung für die bisher verwendeten CD-Cantilever, welches unter ungünstigen Umständen zum Spitzenbruch führt. Daher ist die bisherige Detektionsmethode in Kombination mit dem CD-Cantilever für eine echte 3D-Messung ungeeignet.

Ein neu entwickelter 3D-AFM Kopf in Kombination mit einer 3D-Nanoprobe macht nun erstmals die 3D-Verschiebungen der CD-Spitze messbar [1, 2]. Das Prinzip ist in Abbildung 1 dargestellt. Optimierte Festkörpergelenke (FH1 und FH2) teilen die 3D-Nanoprobe in steife und flexible Bereiche ein, dabei wurde auf ein isotropes Steifigkeitsverhältnis geachtet. Dieses ist zur Verbesserung der Sensitivität an die mechanischen Eigenschaften der CD-Spitze angepasst. Der vordere Bereich der 3D-Nanoprobe (HS2) ist so optimiert, dass er nur unter horizontalen (x,y) Verschiebungen der CD-Spitze eine Winkeländerung 2, β2) zeigt. Diese Winkeländerung wird durch einem optischen Lichtzeiger detektiert. Die z-Verschiebung der CD-Spitze wird mit einem differentiellen Interferometer detektiert, welches die z-Verschiebungen des Kopfbereiches 1 (HS1) misst. Eine Selektivität der Antastrichtungen von 50:1 in 3D wird durch Kalibrieren einer Sensitivitätsmatrix erreicht, die auch Fehlstellungen und Fertigungsabweichungen der 3D-Nanoprobe kompensiert. Eine Messung von zwei rechtwinklig zueinander orientierten Referenznormalen vom Typ IVPS100-PTB mit senkrechten Linienstrukturen aus Silizium ist in Abbildung 2 dargestellt. Wiederholungsmessungen dieser CD-Struktur zeigen eine vermutlich überwiegend durch Spitzenverschleiß bedingte Abnahme der Strukturbreite von -0,33 pm und -5,4 pm pro Linie in x-Richtung und y-Richtung [2].

Abbildung 1 zeigt qualitativ die detektierbaren Bewegungsrichtungen der 3D-Nanoprobe im Raum.
Abbildung 1: Funktionsprinzip für die Detektion der Spitzenverschiebung der 3D-Nanoprobe mit einem differentiellen Interferometer und Lichtzeiger [2].

Abbildung 2 zeigt zwei gemessene und 90° zueinander gedrehte Linienstrukturen mit senkrechten Seitenwänden.  
Abbildung 2: Messung der breitesten Struktur (S5) von zwei rechtwinklig zueinander orientierten Referenznormalen IVPS100-PTB no.0205 (links) und no.0301 (rechts) mit 20 Linien über 500 nm.

 

Literatur

[1] Thiesler, J., Tutsch, R., Fromm, K., and Dai, G., “True 3D-AFM sensor for nanometrology”, Measurement Science and Technology, 31, 7, 2020. doi:10.1088/1361-6501/ab7efd
[2] Thiesler, J., Ahbe, T., Tutsch, R., and Dai, G., “True 3D Nanometrology: 3D-Probing with a cantilever-based sensor”, Sensors, 2022, 22(1), 314. doi:10.3390/s22010314

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